关于热电联产应用的多种转换形式及用途介绍

发布时间：2023-06-13 18:20:25

关于热电联产，热水和蒸汽是热电联产系统中经典的发动机输出，但并不是唯一的。它们可以转换为其他形式以适应其他用途，今天再来细致的

关于热电联产，热水和蒸汽是热电联产系统中经典的发动机输出，但并不是唯一的。它们可以转换为其他形式以适应其他用途，今天再来细致的讲一讲热电联产 / 冷热电三联供的其它应用。如今的发动机输出可以包含以下三项：

干燥热风应用
通过吸收式冷水机组产生冷冻水
通过净化废气产生二氧化碳

换句话说，一台发电机组可以一次产生两个、三个甚至四个有利用价值的输出。借助当今的发电技术，可实现高达 45% 的电效率和高达 90% 的综合能源效率。而且，热电联产系统不一定需要全时满负荷运行才能具有成本效益——低成本且简单的配置可以在许多应用环境中带来可观的回报。

1. 热源

现代的稀薄燃烧往复式燃气发动机具有丰富的热源。根据用户的热量需求（表 1），可以捕获大量原本浪费的热源用于生产用途。

发动机排气提供了迄今为止最高的温度和最大的热量输出。典型的排气温度约为 460℃（860°F）。废热可以产生用于锅炉给水加热等用途的中压蒸汽，以及用于灭菌、空间加热、罐加热、加湿等过程的低压蒸汽。此外，用天然气补充燃烧可以提高排气温度和热量输出，以产生更大体积和压力的蒸汽，获得更多可能性。

此外，还可以从发动机缸套水中提取热量，以产生温度高达 99℃（210°F）的温水或热水，用于空间加热和各种工业过程。低品质的热量可从油冷却器（如果它未包含在缸套水回路中）和二级中冷器获得，以满足额外的低品质热水应用。

如开篇提到，热水和蒸汽是热电联产系统中发动机的常规输出，但并不是唯一的能源，它们可以转换为其他形式以适应各种用途。

2. 热源的多种转换形式

2.1干燥热风

蒸汽或热水可以通过热交换器以产生干燥热风，为窑炉和烘干机等设备提供热风。并且加热的空气与新鲜的外部空气混合以扩大体积并实现精确的温度控制。

2.2冷冻水

蒸汽、热水或废气可以通过吸收式冷水机组产生用于空间或工艺冷却的冷水。吸收式冷水机组使用的是热量而不是电力作为能源。它们的效率通过性能系数（COP）来衡量。简单、成本相对较低的单效吸收式冷水机组可在低至 93℃（200°F）的温度下启动；COP 通常在 0.7 到 0.9 的范围内。更复杂的双效装置在 175℃（347°F）下激活，可提供更高的 COP（1.05 至 1.4），但前期成本更高。

热回收系统可以将一些热量用于生产水和蒸汽，并利用吸收式冷水机组制冷——这一概念称为冷热电三联供。换句话说，系统可以在冬季制暖，在夏季制冷。

在巴西圣保罗一家能源公司，为一座商业办公综合体提供服务，该综合办公体占地 8,000 平方米，包含几座办公楼。该能源公司总共使用四台卡特彼勒 G3520C 燃气发电机组，总功率为 6.4 MW，带有缸套水和废气热交换器，用于捕获发动机的热能并将其转移到一个公共水回路，该回路供给四个 540 吨（TR）额定热水吸收式冷水机组。吸收式冷水机与两台 340 吨电动冷水机、三台 450 吨电动冷水机和一台 320 吨天然气冷水机并行运行，以维持设施的冷却需求。Cat®（卡特）发电机组产生的所有电力随后通过并联开关设备输送到园区。该能源公司还采用了两台 G3512B 柴油发电机组，每台备用发电机组的额定功率为 1,500 ekW，为设施提供应急或峰值电力。

2.3更多电力

一个设施一般需要持续的主用电源并且几乎没有或没有热负荷，发动机废气热量可用于通过有机朗肯循环（ORC）提高电力输出。通常来自多个发动机的废气供给锅炉，将工作流体转化为蒸汽，然后蒸汽进入透平机膨胀做功，从而带动发电机。这种配置类似于联合循环发电厂，可将发电量提高约 10%，并将电效率提高 5 至 6 个百分点。

山西晋城煤矿开采公司从地下煤层收集瓦斯气发电，为四个独立的发电厂供电，每个发电厂装有 15 台 Cat G3520C 高压燃气发电机组。每个发电厂都设计有一个联合循环系统，可回收废热为 3,000 kW 的蒸汽轮机提供动力。该热回收计划的结果是为当地电网增加了 12 MW 的电力，相当于发电厂 120 MW 总电力输出的 10%。

2.4更多热量

热泵技术可以从低品质热源中提取有用的热量：发动机中冷器回路、废气余热回收锅炉下游的废气余热，甚至是发动机缸体的辐射热。该热量可用于预热发动机缸套水热回收回路或用于低温空间或工艺加热。这种热泵装置实际上可以将整个系统的热效率提高到略高于 100%（基于燃料低热值），同时回收由于燃烧过程中的汽化潜热而损失的热量（低热值和高热值燃料的差别）。

2.5利用废气 CO2

除了热回收，废气中的二氧化碳是发电过程产生的可用副产品：富含二氧化碳的发动机废气可以在催化剂反应器中进行清洁、冷却并送入工艺流程。例如，在温室中，二氧化碳施肥有助于作物更快地生长，将产量提高 10% 到 20%。废气还可以为工业应用，甚至为碳酸软饮提供低成本的二氧化碳来源。将效率提升到极致，单台发电机组可以提供电力、空间或过程加热、空间或过程冷却以及二氧化碳——一个被称为四联供的概念。

在比利时的一个温室大棚，95% 的发电量根据高效电力的溢价出售给当地电力公司。来自两台 G3516A（单台 1,070 ekW）发电机组和一台 G3520E（2,070 ekW）燃气发电机组的缸套水、废气、一级中冷器和油冷却器热量以热水的形式收集和存储，热水用于保持温室恒温。

发电机组排出的废气中含有氮氧化物、一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物。选择性催化还原（SCR）和氧化催化剂系统将这些气体转化为纯二氧化碳。其中，75% 排放的二氧化碳作为有机肥料通过管网重新引入种植蔬菜的根部，有助于将作物重量提高 20%。

3. 简单设计的热电联产系统同样可以带来经济效益

简单且精心设计的热回收也可以帮助许多电力项目提高经济。几乎任何需要大约 1,000 或更多年运行小时的应用都具有经济热回收的潜力。

从发动机冷却回路中回收热量非常简单：管壳式或板式热交换器可以产生 82° 至 99℃（180° 至 210°F）的热水。这种热水的用途包括空间或生活用水加热、轻型生产过程加热、锅炉冷凝水或补充水预热，以及空调、过程冷却和干燥剂除湿。

下面举一些例子：

商业地产

办公楼可以在营业时间内经济高效地运行发电机组，避免峰值电价市电。如果从缸套水热交换器中回收的热量可以部分抵消用于空间加热、水加热或除湿的能源成本，那么投资回报率就会提高。

轻工业

拥有发电机组的中小型制造商可以在发动机冷却系统回路中安装热交换器，并带有恒温控制的分流阀来调节流向厂内负载的流量。

服务业

酒店可以很容易地将热回收用于生活热水、洗衣房、厨房或游泳池加热。